Forskare vid EPFL har utvecklat en ny modell för att beräkna hydraulisk sprickutbredning. Uppmärksammad för sin noggrannhet av experter, modellen förutspår bättre sprickgeometri och energikostnaden för hydraulisk sprickbildning - en mycket använd teknik inom områden som CO ₂ lagring, kolvätextraktion, dammar och övervakning av vulkaner.

Hydraulisk sprickbildning har ett brett spektrum av applikationer, såsom att förbättra produktiviteten för brunnar som används för vätskeextraktion och injektion i porösa bergformationer. Det är en rutinmässig del av kolvätextraktion men också av djupa geotermiska kraftverksamheter, underjordisk CO ₂ lagring och gravitationsassisterad gruvdrift. Ingenjörer använder tekniken för att planera om byggnader via kompensering, förhindra sprickor från att sprida sig runt dammar, och till och med förbättra säkerheten i djupa underjordiska tunnlar. Dessa frakturer förekommer också i naturen, som när magma stiger i jordskorpan nära vulkaner eller vid glaciärbäddar på grund av plötslig utsläpp av ytsmältvattensjö.

Den industriella processen innebär injektion av vätska under högt tryck för att skapa sprickor i underjordiska bergformationer. "Det finns en stor osäkerhet kring effekten av turbulent flöde när en vätska med låg viskositet används som en sprickvätska, "säger Brice Lecampion, som leder EPFL:s geo-energilaboratorium (GEL). "Vi ville utveckla en exakt öppen källkodsmodell som slutar med denna osäkerhet en gång för alla." Lecampions papper, som han författade tillsammans med forskaren Haseeb Zia, publicerades i Journal of Fluid Mechanics i oktober 2019. I januari 2020, denna ledande tidskrift inom vätskemekanik har valt den för en Focus on Fluids som publicerar en utökad kommentar av tidningen från en expert, i ett bevis på relevansen av modellen som utvecklats vid EPFL.

Säkerhet och energikostnad

För att injicera eller producera vätska djupt under jorden, ingenjörer borrar en brunn med cirka tio centimeter i diameter och sträcker sig ofta två till tre kilometer under ytan. Nästa, de injicerar en blandning av vatten och sand i brunnen under 30 till 45 minuter. Detta skapar en fraktur i berget som kan nå upp till 500 meter lång och 100 meter hög. Sanden fungerar som en stötdämpare - ett fast material som används för att hålla sprickan öppen så att vätskor kan strömma mellan brunnen och berget. Hälften av det injicerade vattnet återvinns vanligtvis, filtreras och injiceras igen i efterföljande pumpfaser, medan den andra halvan förblir under jorden.

Ingenjörer måste kunna beräkna hur dessa frakturer sprider sig så att de kan bestämma exakt hur mycket vätska som ska injiceras, och uppskatta geometrin - eller längden - för de resulterande sprickorna. Förbättrad uppskattning av spridningen är också avgörande för att säkerställa processens säkerhet, och hjälper ingenjörer att uppskatta dess energikostnad.

Förbättra förutsägelser

För stimulering av skiffergas, den injicerade vätskan är 99% vatten. Resterande 1% är en friktionsreducerande tillsats, en speciell polymer som drastiskt minskar turbulent flöde genom att stoppa bildandet av virvlar. Tillsatsen, som används i stor utsträckning inom industrin, minskar avsevärt mängden energi som krävs för högtryckspumpning. Tills nu, dock, dess effekt på sprickutbredning hade inte kvantifierats.

"Vi fann att tillsatsen ändrar signifikant sprickutbredning under turbulenta flödesförhållanden, "förklarar Lecampion." Ändå varar effekten bara under de första fem till sex minuterna av injektionen och har liten betydelse för den slutliga sprickgeometrin. "Modellen som utvecklats vid EPFL gör det möjligt för ingenjörer att mer exakt förutse storleken på de inducerade frakturerna och, därför, hur mycket vatten kan pumpas in och ut ur berget, och i vilken takt. "Mycket få modeller av denna typ har öppen källkod, "tillägger Lecampion." Branschen domineras av privata företag som tenderar att hålla sina beräkningar och bedömningar för sig själva. "